(Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence...
-
Upload
nguyendien -
Category
Documents
-
view
226 -
download
2
Transcript of (Chemical Bonding) - Chem ku-kpschem.flas.kps.ku.ac.th/SLIDE/SLIDE-53-TEACHER-CHEMICAL...˛ (Valence...
(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)(Chemical Bonding)
������������ ���� �� ���������
��������������� (VB) ���������� ��������������������������������� �����!��"��#����$ ���%��� ��%�#�& AO )�&���� *�#���+#�#��% ������������������ *�������"� ������� ��������"� ����,�����%��*�#�• AO �������� �����������������-� ��.-� �&���������������) ��!&#����#����� MO *��-� ��.������ organic molecule
3. ��������������� (Valence Bond Theory)
2
AO �������� �����������������-� ��.-� �&��������������• �) ��!&#����#����� MO *��-� ��.������ organic molecule ;� �)<=���#��������&-� �&)�&�����-
� ���$ ���%��� )�& AO �>?��//��0������ (Bonding) ��#���=� (�����*�� σ,π,δ)
� ; #�� ���������� ����,�������, *� � ( ��� 2 ����,�����)�����-� �&�����
�����1����2������ VB
����������������&!������������ ����,���������� ��!��"����!�����&����,�����������
• H = − − − − − ����,��������� 1 AO !����� 1 �����• N = − − − − − ����,��������� 3 AO !����� 3 �����
− − − − −
1s 2s 2px 2py 2pz
3
N = ����,��������� 3 AO !����� 3 �����• F = − − − − − ����,��������� 1 AO !����� 1 �����• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !�����*�# 2 �����?
� ��������������!�����$ ���%��� )�& AO � ����,���������• H2 • N2
• HFH−H
H− F
N≡N
�����1����2������ VB *
� >NO%�����&!��������������&-� �&������$ ���%��� )�& AO ��!��"����!�����&����,����������� �������
• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����• O = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����
1s 2s 2px 2py 2pz
4
• O = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����
� ���&-� �&� >NO%�• ��������#�!����������;� *�#-�&�������#���=�• H2O !����P��&)�&��������� Q �������#���� 90° (�#�!��&��� 104.5)
O H
H
45/��41�6� (Hybridization)*
� . ���!��"��#�����,������� 2s )�&�������.+�����Q �)<=�;>� 2p �Z��% !Z���� AO � ����,��������� ��)<=�
• C = − − − − − ����,��������� 2 AO !����� 2 �����• C = − − − − − ����,��������� 4 AO !����� 4 �����
1s 2s 2px 2py 2pz
5
• C = − − − − − ����,��������� 4 AO !����� 4 ������ �������&���#��������=&-)�&��������% �������Q�>������ �����=&- ��[���#������������=&- (s px py pz) !�_- �� ��������>?�����������% #������#� ���������;`����;��$��� ;� ;`������������� 4 ���� ���&&����#����*�# ��P��&�#�&���
• C = − − − − −
1s sp3
CH4
45/��41�6� (Hybridization)
� ���/�������0��45/��1<<��/��� ��� ���_- ���� ����������������� ����-� �&����������Q��% #� �+>�#�&*����������&&����#���� �����% -� ��.���������-� �&�����;� �)<=�• ;`���;��$���!�����;� �,�#�� ������� ������=<� AO ��@A�2��0@�����
• ����������% # �����#� ;`������������� (Hybrid orbital)
6
2��0@�����• ����������% # �����#� ;`������������� (Hybrid orbital)
♦ ���BC�A�������1/�������A���� A��������� � A����• !Z����;`�������������= ���� ��������������
s
p
sp3
Hybridization
<<��/���=<�<� <� 45/��1<<��/���=<�<� <�
6��1=<�45/��1<<��/���
� ����;`�������������)<=��������*��!Z����)�& AO � �_- ���• sp �� 2 <<��/��� (Linear)• sp2 �� 3 <<��/��� (Trigonal planar)• sp3 �� 4 <<��/��� (Tetrahedral)• sp3d �� 5 <<��/��� (Trigonal bipyramidal)
�+>�#�&)�&;`�������������!��#�&!�� p ���������
7
• sp3d �� 5 <<��/��� (Trigonal bipyramidal)• sp3d2 �� 6 <<��/��� (Octahedral)
� !Z�������������� ;� ��#����!Z���� AO ��=&% �� ����,��������� (��=&���������>���*��;`�������������)
� ;`������������� (sp, sp2, c) -� ��.���������$�� ���#���=���)"�����������>��� (s,p,d c) -� ��.���������$�� � ;� ���� � ...
sp 45/��1<<��/���
sp-Hybridization ������_- ��%�#�&s-orbital *�� p-orbital
� ;� sp-hybrid orbital 2 ���������!�����&����>?��- ���&
� p-orbital ��%�����!��������� π
8
!�����&����>?��- ���&� p-orbital ��%�����!��������� π 1 %��� 2 �����
s
px py pz
spHybridization
py pz
� 2 σ σ σ σ-bond � 2 ππππ-bond
sp2 45/��1<<��/���
sp2-Hybridization ������_- ��%�#�& s-orbital *�� 2 p-orbitals
� ;� sp2-hybrid orbital �� 3 ���������!�����&����>?�*��-� �%�� �����p-orbital ��%�����!��������� π
9
!�����&����>?�*��-� �%�� ������ p-orbital ��%�����!��������� π
s
px py pz
sp2Hybridization
pz
� 3 σ σ σ σ-bond � 1 ππππ-bondp-orbital
sp3 45/��1<<��/���
sp3-Hybridization ����!�� s-orbital *�� 3 p-orbitals
� ;� sp3-hybrid orbital �� 4 ���������!�����&����>?�*����&-%� �; # p orbital �%����% -� �&����� π
10
!�����&����>?�*����&-%� �� ; # p orbital �%����% -� �&����� π
s
px py pz
sp3Hybridization
� 4 σ σ σ σ-bond ("�#����$%�������&'����������� ���������)
sp3d ��� sp3d2 45/��1<<��/���
���Q������ 3 )<=�;> ��!�� d ��������������;`�����������������&&��; #*���#�&!�� p �����
� sp3d Hybridization• 5 sp3d hybrid orbitals• !�����&�>?���� ���+#[��-� �%��
11
5 sp d hybrid orbitals• !�����&�>?���� ���+#[��-� �%��
� sp3d2 Hybridization• 6 sp3d2 hybrid orbitals• !�����&�>?���&*>�%� �
HH
�<�A�������0������N1�����45/��1
� Be (1s22s2)
2s
2px 2py 2pz
spHybridization 2py 2pz Be
BeH2
Linear
12
H
� C (1s22s22p2)H
CH3Cl
C
H
2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization
Cl
Tetrahedral
H
� N (1s22s22p3)
NH3
H2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization
N
H
Trigonal
Pyramidal
�<�A�������0������N1�����45/��1
13
� O (1s22s22p2)
NH3
H2O
2s
2px 2py 2pz
sp3Hybridization O
H
H
Bent
����@BA (Double Bond)
� ������+# >������ ��• ����� sigma (σ) !�� hybrid orbital• ����� pi (π) !�� p-orbital
14
����@BA2� H2C=CH2
� ������+#�� H2C=CH2 >������ ��• ����� sigma !�� sp-orbital )�&�������• ����� pi !�� p-orbital )�&�������
+ + +
15
- - -
+
-
+
-
+
-
������� (Triple Bond)
� ������+# >������ ��• ����� sigma (σ) !�� hybrid orbital %��� p-orbital• ����� pi (π) 2 ����� !�� 2 p-orbital
♦ N≡≡≡≡N (3 ���������!�� px py pz)♦ HC≡≡≡≡CH (3 ���������!�� sp px py)
16
+ +
+ +
- -
- -
+
-
+
-
2. �����N���T����<<��/��<� (MO Theory)
�����N���T�A���<<��/��� (Molecular Orbital Theory) �������������������������������� ���������)�&� ���Q�
<� <�AO
<� <�AO
N���T�MO+
17
� <<��/���=<�N���T� (MO) ������+#)�&����,�������� ���Q�����!������� ���������)�&���� (AO) �� ���_��� ���&�- ���& (Linear Combination of Atomic Orbital, LCAO)
� !Z���� MO �����)<=���#����!Z���� AO ��=&% �
AO MO
�����0��N���B����<<��/���
���������)�&� ���Q�����!�����$ ���%��� (overlap) )�& AO � �//���� (Bonding): �>?������ AO � ��� @�WX<�����(��)��W<���
=��1<<��/���2����6WX<�<� <���X�=YZ� �[������=YZ�� �//������ (Antibonding): �>?������ AO � ��� @�WX<�����(��) A����
=��1<<��/���2����6WX<�<� <��1�� �[����0<��� (��������X�)
18
=��1<<��/���2����6WX<�<� <��1�� �[����0<��� (��������X�)
1sA1sB
bonding
antibonding
En
erg
y
�\�\���1/������=<�N���B����<<��/���(Molecular Orbital Diagram) ���*_�_�&�*-�&��������&&��)�& MO ������� AO
1sA + 1sB Bonding
1sA −−−− 1sB Antibonding
An analogy between light waves and wave functions (ΨΨΨΨ) used to describe electron waves from interacting atomic orbitals.
NOTE: +/- signs show PHASES of waves, NOTCHARGES!
A B
Amplitudes of wave functions added
Amplitudes of wave functions subtracted.
ΨΨΨΨA + ΨΨΨΨB
A
B
ΨΨΨΨA - ΨΨΨΨB 19
� ����0<���WX<�=<�<<��/���=<�<� <� (AO Overlap)� �� AO ���$ ���%��� ���!��� ��������>?� MO• �//���� (bonding molecular orbital, BMO) ���������!� )����%O#)<=���*������ ��%�#�&���� ��� �-.����� )<=�
• �// 0������ (antibonding molecular orbital, AMO) ���������
�����0��N���B����<<��/���*
20
• �// 0������ (antibonding molecular orbital, AMO) ���������!� )����%O#)<=���*������ ��%�#�&���� ��� �-.�����&
� ����0<���WX<�=<� AO _���1=YZ�410�WX<• AO ���&&����� ���&���• AO )�����% ��- • AO �+>�#�&*����P��&��% �-
����������0<���WX<���=<�<<��/���*
� �+>�#�&�����������)�&*�#������
x
y
z
21
� ���$ ���%��� �����%�#�&���������)�& A *�� B2s orbital
A(s) B(px)A(s) B(s) A(px) B(px) A(py) B(py) A(s) B(py)
6��1=<�N���B����<<��/���
����)�& MO )<=�����+>*������� ���)�& AO� sigma bond (σ,σ*): ���$ ���%��� ���*�� 1-lobe )�& Aos (head-on overlap)
� pi-bond (π,π*): ���$ ���%��� ���*�� 2-lobe )�& AOs σσσσ antibondingσσσσ bonding
22
� pi-bond (π,π*): ���$ ���%��� ���*�� 2-lobe )�& AOs (side-on overlap)
� delta-bond (δ,δ*): ���$ ���%��� ���*�� 4-lobe )�& AOsππππ bonding ππππ antibonding ππππ bonding
δδδδ bonding
6��1=<�����*
� Sigma antibonding (σσσσ*) �Pi antibonding (ππππ*)
23
� Sigma bonding (σσσσ) �Pi bonding (ππππ)
s+s px+px py+py
Molecular Orbital Diagram*
�\�\���1/������=<�N���T����<<��/��� ���*_�_�&�*-�&��������&&��)�& MO ���������������&&��)�& AO
� AOs ��!�� ���*���-�� %����Z����• ����� *���Z����!�;� AMO (E ��� )• ����� *���-�� !�;� BMO (E ��)
24
• ����� *���-�� !�;� BMO (E ��)EAMO >>>> EAO >>>> EBMO
� . � AO ���$ ���%��� ��� ��EAMO EAO EBMO
� ��� -� ��.�����$ ���%��� )<=��������)�&�����σ > π > δ
��1/������=<� MOs*
� AOs ��1/�������A��� EAMO >>>> EAO >>>> EBMO• ∆∆∆∆Ed: destabilization energy• ∆∆∆∆Es: stabilization energy
� AOs ��1/������ A����EAMO >>>> EAO-H > > > > EAO-L >>>> EBMO• AMO _�����/ �@�0�� AO-H• BMO _�����/ �@�0�� AO-L
25
AO: Atomic orbital
BMO: Bonding Molecular Orbital
AMO: Antibonding Molecular Orbital
�������������0<���WX<�=<� AOcs
� Pi bonding� Sigma bonding
s+s py+py
26
px+px
6��1=<�<<��/���=YZ��/����������0<���WX<���=<� AO
x
y
z
Molecular Orbital Diagram
EE--configurationconfiguration: (σσσσ2s)2(σσσσ2s*)
2 (σσσσ2px)2 (ππππ2p)
4(ππππ 2p*)4(σσσσ2px*)2
E n e r g y
27
E n e r g y
���/��_T<��e� �<�2� MOs
1. -��!�m��������$�����,�����2. *�#�� MO ����,�����;� ; #���� 2 ���*��� �& ->n��#�&���3. !������,������-#�� MO � ���&&���Z��-Q��#��4. . � MO ���&&����#�����% !���� ��)�&`Q���
28
4. . � MO ���&&����#�����% !���� ��)�&`Q���5. !Z��������,������� MO ��#����_��� !Z��������,������ �!������ �-� �&�����
6. ����)�����&*������,������Z���#��������)�&���� *�#�>�������)�&����������>?�*�� σ, π, δ, σ*, π*, δ*
���/��_T<��e� �<�2� MOs
� H2 molecule � He2 molecule
Antibonding
Antibonding
29
Bonding
H1s H1s
Bonding
He1s He1s
H2 = (σσσσ1s)2 He2 = (σσσσ1s)
2(σσσσ1s*)2
Bond energy = 431 kJ/mol ($� 2 ��� ����)
<�1/����(Bond order)
� ������������������Z������� *),&*�&)�&�������������� %������ �-.��)�&� ���Q�����+!��!Z��������,�������BMO *�� AMO• ����������� = ½(����,������� BMO g ����,������� AMO)• � ���Q�� �����������-+&!� ��� �-.�� ��
30
• � ���Q�� �����������-+&!� ��� �-.�� ��� �����#�&
H2 H2+ H2
–
����������� : 1 0.5 0.5
MO Diagram of Li2 & Be2
� Li2 (2 x 3 electrons)• Li = 1s2 2s1• Bond order = 1
� Be2 (2 x 4 electrons)• Be = 1s2 2s2• Bond order = 0 (no bond)
E n e r g y
31
MO of Li2 MO of Be2
E n e r g y
(σσσσ1s)2(σσσσ1s*)
2 (σσσσ2s)2 (σσσσ1s)
2(σσσσ1s*)2 (σσσσ2s)
2 (σσσσ2s*)2
MO Diagram of N2 & O2
� O2 (����m��� valence electrons)
• O = 1s2 2s2 2p4• ����������� = 2• �Z����)�& MO *��>���
� N2 (����m��� valence electrons)• N = 1s2 2s2 2p3• ����������� = 1• ���-����)�&���������σp*�� πp • �>?�) ����� � �� MO 8�9�� B2 :�; C2
32
E n e r g y
MO of N2 MO of O2(σσσσ2s)
2(σσσσ2s*)2(σσσσ2px)
2(ππππ2p)4(ππππ2p*)
2(σσσσ2s)2(σσσσ2s*)
2 (ππππ2p)4(σσσσ2px)
2
33
��/ ������A��e�=<�N���T�
� ���41<����� ��(Diamagnetic)-��� !Z��������,�����->n�)<=�*��->n��&��#����-�� * #�%�,� �����Z��#�� ���Q��>?�P+���
� ����������� ��(Paramagnetic) -��� ����,��������� �Z��% *�&�<&�+����-�� * #�%�,������Z�
34
���$��!��%��_#��)�=�* #�%�,�